Light extraction in organic light-emitting diodes

Organic light-emitting diodes (OLEDs) are flat large-area light sources with a diffuse light emission. A typical OLED structure has a total thickness of only a few hundred nanometers and consists of several organic layers sandwiched between two electrodes. Besides the implementation of OLEDs in displays, these light sources have a great potential for applications in general lighting. However, the overall efficiency of OLEDs is still far below the theoretical maximum. This is mainly due to a rather low light extraction with losses resulting from total internal reflection in the OLED multilayer stack, i.e. the excitation of substrate and waveguide modes. In addition, a large fraction of the power is dissipated to surface plasmons (SPs), i.e. guided electromagnetic surface waves traveling along the interface between the organic material and the metallic cathode. This work summarizes existing methods and presents novel ways of enhancing OLED efficiency by either recovering some of the optical losses or by reducing coupling to unfavorable optical channels. All methods are studied both from an experimental point of view as well as by optical simulations. One of the three major approaches for enhanced light outcoupling studied in this work is the implementation of grating structures which allows for outcoupling of bound modes by Bragg scattering. This effect is investigated by using periodic one-dimensional grating structures fabricated by nanoimprint lithography. In order to demonstrate that grating coupling can also be cost-efficient, the extraction of SPs by means of a common DVD structure is presented. Another interesting method is the "high-index coupling", which uses a layer with a high refractive index in order to extract waveguide modes and SPs. It is demonstrated that not only substrate modes, but in particular waveguide modes and even SPs can be partially recovered from a state-of-the-art OLED by high-index coupling. Finally, a completely different approach is to reduce the initial coupling of the excited molecules to unfavorable optical channels. A very efficient method is based on the orientation of the transition dipole moment of the molecule. A novel straightforward method is presented which allows for a determination of orientation even for doped films, which are usually used in modern small molecule OLEDs. To demonstrate the efficiency boost of horizontally oriented emitters in OLEDs, two devices are analyzed having a similar layout but different degrees of emitter orientation. Moreover, it is shown that even phosphorescent emitters which usually have a rather bulky structure can show a considerable non-isotropic orientation.Organische Leuchtdioden (OLEDs) sind dünne, großflächige Lichtquellen, die ein angenehmes diffuses Licht abstrahlen. OLEDs bestehen aus mehreren organischen Schichten eingebettet zwischen zwei Elektroden. Die aktiven Schichten einer typischen OLED haben eine Dicke von lediglich einigen hundert Nanometern. Abgesehen von der Verwendung in Displays haben OLEDs ein großes Potential für Anwendungen in der Allgemeinbeleuchtung. Allerdings liegt die Gesamteffizienz von OLEDs derzeit noch weit unter dem theoretischen Maximum. Hauptgrund dafür ist eine niedrige Lichtauskopplung, die zum einen durch Totalreflexion im Bauteil entsteht, wodurch Substrat- und Wellenleitermoden angeregt werden. Zum anderen geht sehr viel Leistung an Oberflächenplasmonen verloren, d.h. an elektromagnetische Oberflächenwellen die sich zwischen den organischen Schichten und der Metallelektrode bewegen. Im Rahmen dieser Arbeit werden verschiedene Methoden für eine verbesserte Effizienz von OLEDs sowohl experimentell als auch mittels optischer Simulationen untersucht. Insbesondere werden neue Methoden vorgestellt, die optische Verluste teilweise zurückgewinnen oder die Anregung unerwünschter Moden von vornherein reduzieren. Eine der drei wichtigsten vorgestellten Methoden basiert auf der Bragg-Streuung an periodischen Gitterstrukturen, wodurch geführte optische Kanäle gestreut und ausgekoppelt werden können. Dieser Effekt wird anhand von eindimensionalen Gittern untersucht, die über Nanoimprint hergestellt werden. Daneben wird die kostengünstige Realisierung dieser Methode demonstriert, indem Oberflächenplasmonen mit einem DVD-Gitter ausgekoppelt werden. Neben der Streuung an Gittern wird die Hochindexkopplung betrachtet, die eine Schicht mit einem besonders hohen Brechungsindex benötigt. Neben der Auskopplung von Substrat- und Wellenleitermoden können damit selbst Oberflächenplasmonen zum Teil ausgekoppelt werden. Bei der dritten Variante wird von vornherein die Ankopplung an optische Verlustkanäle reduziert. Dies geschieht mithilfe von orientierten Molekülen, deren Übergangsdipolmoment vorzugsweise parallel zum Substrat ausgerichtet ist. Es wird eine neue Messmethode vorgestellt, mit der man die Orientierung auch im Falle von dotierten Schichten bestimmen kann. Die deutliche Effizienzerhöhung durch orientierte Moleküle wird anhand von zwei OLEDs demonstriert, die einen identischen Aufbau aufweisen und sich nur im Grad der Orientierung unterscheiden. Außerdem wird gezeigt, dass selbst phosphoreszente Emitter eine Vorzugsorientierung aufweisen können